基于模型分類突破平衡轉化率問題

江蘇 季宗寶 趙王俠

平衡轉化率是需要學生在已有化學平衡知識的基礎上來學習的，是《化學反應原理》教材中的一個重要知識點，是《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中提出的一個化學學科核心素養“變化觀念與平衡思想”的重要體現，也是高考中的一個重要考點，在每年的高考化學試題中都有所考查，分值在2～4分之間，試題主要以選擇題或者工藝流程題呈現，考查的形式主要表現為平衡體系中條件的變化引起轉化率大小的改變以及一定條件下建立平衡后平衡轉化率的計算。其中，平衡轉化率的變化是學生學習的一個難點，教師在教學中特別是一輪復習的時候，要站在一個更高的角度，對平衡轉化率的變化進行歸納總結，本文采用模型分類的思想幫助學生理解和突破平衡轉化率問題，并學會利用轉化率解答相關試題。

一、概述

平衡轉化率=

若要求某物質某一時刻的轉化率只要把該物質平衡時的反應物濃度(或物質的量)改為某一時刻的反應物濃度(或物質的量)即可。

二、模型分類

下面筆者將不同條件下的不同反應體系中條件的改變進行模型分類，通過例題講解、逆向運用、變式訓練及跟蹤訓練的形式層層遞進地來理解和突破平衡轉化率。

【模型1】

圖1

【分析】增大反應物A的濃度，平衡向正反應方向移動，同為反應物的B的轉化率增大，而A自身的轉化率降低。

【分析】加入C促使D向A、B進一步轉化，平衡逆向移動，即D向A、B轉化的轉化率增大，故A、B向C、D轉化的轉化率減小。

【點評】以上兩種類型轉化率的大小變化屬于簡單判斷，學生很好理解，也容易得分，在此不再贅述。

【模型2】

圖2

【分析】該情況可認為后加入的NO2與原反應進行疊加，疊加后氣體總體積增加，為了使體積維持不變，只能向體系加壓從而引起疊加后的平衡向生成N2O4的方向移動，因此NO2的轉化率增大。

【分析】該情況可認為后加入的N2O4與原反應進行疊加，疊加后氣體總體積增加(此時N2O4的量會比原來的多)為了使體積維持不變，只能向體系加壓從而引起疊加后的平衡向生成N2O4的方向移動，與例3的實質是一樣的，因此N2O4的轉化率減小。

【變式訓練】

1.將例3、例4的題干條件改為在恒溫恒壓的容器中進行，則轉化率分別如何變化？

【分析】若改為在恒溫恒壓的容器中進行，為了保持壓強不變，該體系的體積增大，即轉化率不變。

【參考答案及分析】該反應前后計量數相等，則即使加入HI，平衡也不移動，故HI的平衡轉化率不變，但H2和I2的物質的量是增加的。

【點評】對于氣相反應體系中，只有一種物質參加反應的平衡體系，再加入一定量的反應物，可以間接通過壓強去判斷平衡的移動方向，進而輕松判斷之后的轉化率的大小變化情況。對于此種類型轉化率的變化部分學生理解有些困難，也是常見的考查角度，特別是例3和例4，要多加揣摩。

【跟蹤訓練】

【參考答案】增加 增加 減小 增加

【模型3】

圖3

【參考答案及分析】假設反應過程：

圖4

第③步壓縮時平衡正向移動，故SO2的轉化率增大。若其他條件不變，再按原反應物的比例充入SO2和O2，即同等同程度的增大，即把兩個反應物進行捆綁當成一種物質，就屬于模型2中的反應物為一種物質的模型，此時可以從壓強的角度來分析問題，故達到新的化學平衡時，各反應物的轉化率均會增大。

【變式訓練】

3.將例5的題干條件改為在恒溫恒壓的容器中進行，則SO2轉化率將如何變化？

【分析】若改為在恒溫恒壓的容器中進行，為了保持壓強不變，該體系的體積將增大，所以轉化率是不變的。

【點評】對于多反應物體系，在二次添加反應物的時候，如果是在恒溫恒容的密閉容器中等比例的添加反應物，此時的分析思路是可將多種反應物進行捆綁當成一種物質，就屬于模型2中的反應物為一種物質的模型，這樣就可以從壓強的角度來分析問題，故達到新的化學平衡時，若正向進行，則轉化率增大，逆向進行則轉化率減小。此類問題也是考試中的常見考查角度之一，要熟練掌握，做到舉一反三。

三、分類解析

對于平衡轉化率的考查形式多樣，有的試題是直接考查，主要為平衡轉化率的計算和大小的變化比較，還有的試題是屬于間接應用，在理解平衡轉化率的基礎上，結合等效平衡去判斷濃度、壓強、體積分數等物理量的變化，對于學生知識的內化與應用有著重要的體現。下面筆者就基于上面的三種模型來闡述在這兩方面平衡轉化率的應用。

1.直接考查

( )

A.b>a>cB.c>a>b

C.a>b>cD.a=b=c

【參考答案】B

【解析】此題屬于反應物只是一種物質的，即屬于模型2，現在再投入1 mol PCl5和1 mol NO2，相當于增大壓強，對于第一個反應，平衡逆向移動，即轉化率減小；第二個反應平衡正向移動，即轉化率增大，故再次達到平衡時PCl5和NO2的轉化率大小關系為c>a>b。

( )

圖5

A.V2O5催化時，該反應的轉化率增大

B.使用V2O5作催化劑同時降低了正、逆反應的活化能

C.當反應達平衡后再充入1 mol SO2和0.5 mol O2，則O2的轉化率下降

【參考答案】B

2.間接應用

( )

A.M>N B.M

C.M=N D.無法比較

【參考答案】B

【解析】此題屬于反應物只是一種物質的，即屬于模型2，現在投入2 mol PCl5，相當于增大壓強，即平衡逆向移動，故M

容器1容器2容器3反應溫度T/K700700800反應物投入量2 mol SO2、1 mol O24 mol SO32 mol SO2、1 mol O2平衡v正(SO2)/mol·L-1·s-1v1v2v3平衡c(SO3)/mol·L-1c1c2c3平衡體系總壓強p/Pap1p2p3物質的平衡轉化率αα1(SO2)α2(SO3)α3(SO2)平衡常數KK1K2K3

下列說法正確的是

( )

A.v1

B.K1>K3，p2>2p3

C.v1α3(SO2)

D.c2>2c3，α2(SO3)+α3(SO2)<1

【參考答案及解析】將容器1中的反應極限化時產生2 mol SO3，容器2中SO3的起始量為4 mol，整體來講容器2的物料濃度高于容器1，所以v12c1，故A錯誤；正反應為放熱反應，升高溫度不利于反應正向進行，所以K1>K3，因為恒溫恒容容器中，根據理想氣體狀態方程pV=nRT，即壓強之比等于物質的量之比，也即等于濃度之比，容器2是4 mol SO3起始反應，同上分析，若平衡不發生移動，則有c2=2c3，但加壓有利于反應正向進行，并且容器2和容器3的溫度不等，容器3的反應溫度高于容器2的反應溫度，則c2>2c3，而壓強關系為p2∶p3=(c2T2∶c3T3)，又因為T2∶T3=7∶8，小于1，則就不一定有p2>2p3，故B錯誤；溫度升高，化學反應速率加快，則v1α3(SO2)，故C正確；容器2是4 mol SO3起始反應，容器3極限化時生成2 mol SO3，容器2相當于容器3加壓，若平衡不發生移動，則有c2=2c3，但加壓有利于反應正向進行，并且容器2和容器3的溫度不等，容器3的反應溫度高于容器2的反應溫度，則c2>2c3，若容器2不是相對于容器3加壓，且兩容器溫度相同，則有α2(SO3)+α3(SO2)=1，但加壓有利于反應向減壓方向進行，則α2(SO3) 減小，溫度升高不利于反應正向進行，則α3(SO2) 減小，因此最終α2(SO3)+α3(SO2)<1，故D正確，答案為CD。

【點評】以上兩題都是直接或間接地考查平衡轉化率的相關知識，特別是例9綜合運用等效平衡原理和極限法分析問題是解題的關鍵，把濃度、壓強的變化轉化成從轉化率的角度思考更為簡單，此題作為江蘇卷的壓軸題，秉承著一貫的風格，具有較大的區分度，是一道綜合性非常強的好題。

綜合以上分析，可以得出分析平衡轉化率變化的思維模型：

圖6